粘贴钢板和增大截面联合加固在旧桥加固中的应用
2014-01-08何万鹏张己存
何万鹏，张己存
（甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司，甘肃兰州 730030）
0 引言
随着我国交通事业近几十年的迅猛发展，交通运输量的大幅增长，行车密度和车辆载重越来越大，相当一部分在役桥梁都存在不同程度的损伤材料老化等现象，其承载能力、通行能力都亟待提高，我国的桥梁加固事业正面临着严峻的考验。旧桥加固方法、加固机理的研究也越来越成熟。
1 概述
粘贴钢板加固法和增大截面加固法是旧桥加固的两种常用办法。粘贴钢板法是交通量增加；主梁承载力不足或纵向主筋出现严重锈蚀的情况下导致出现横向裂缝时，在梁或板（底、顶或肋）的主要部位采用粘结剂或锚栓，将钢板牢固的粘结锚固在结构的受拉、受压及受剪的主要部位，使其与结构形成整体受力的方法。原理以钢板代替增设的钢筋，它的特点是：不需要改变被加固结构的几何尺寸；工艺简单、质量容易控制；加固钢板的理论计算如钢筋计算相同。,增大混凝土截面是一种传统的加固方法,工艺简单,适用面广,可广泛用于一般梁截面的加固。在实际应用中,主要采用钢筋混凝土或钢筋网砂浆层,来增大原混凝土结构面积,提高结构承载力。实际工程中,在构件的受拉区（联合加配主筋）和受压区（铺钢筋网即桥面补强）的情况较多。而粘贴钢板和增大截面联合加固常见的是受拉区粘贴钢板受压区桥面补强的情况，本文重点分析了此两种方法的联合加固理论。
2 联合加固理论及方法
2.1 粘贴钢板加固法
将钢板粘贴于构件受拉部位或者薄弱部位的面层，使其与结构形成整体，共同承受荷载。原结构的恒载内力由原构件承担新增钢板只承受粘贴加固后的荷载产生的应力。一般情况下，由于加固前一期恒载等作用，原构件混凝土与钢筋的应力、应变积累值往往大于新增混凝土即钢板产生的相应值，使得原构件的钢筋达到破坏时新增钢板的强度还不能充分发挥，只有当受拉钢筋屈服后，新增钢板的容许应力才迅速增加，但不宜超过允许值。原受拉钢筋的容许应力可以适当放宽。除此之外受压区混凝土的压应力也是主要的控制因素。粘贴钢板加固常用于受弯构件正截面加固。
2.2 增大截面加固法
增大截面加固法又称外包混凝土加固法，是通过在原混凝土构件外，叠浇新的钢筋混凝土，增大构件的截面积和配筋，达到提高构件的承载力和刚度等目的，即采用同一种材料来增大原构件截面面积，达到提高结构承载能力的目的。混凝土梁当其承载力不足，且刚度也不满足要求时，可根据受力性质、构造特点、施工工艺和现场条件采用增大截面的措施。增大截面加固法施工工艺简单、适应性强，并具有成熟的设计和施工经验，适用于梁的混凝土的加固。根据构件的受力特点、薄弱环节、几何尺寸及方便施工等。
2.3 粘贴钢板和增大截面联合加固理论与计算办法
粘贴钢板和增大截面联合加固可分为压区粘贴钢板与拉区增大截面联合加固、压区增大截面和拉区粘贴钢板联合加固。下面给出具有共性的T型截面的计算方法。增大截面前后应力变化见图1。
2.3.1 第一阶段应力计算
即加固前恒载产生的截面弯矩对混凝土及钢筋的应力，先按下式计算原梁换算截面受压区高度x01及惯性矩I01：
受压区：
图1 增大截面前后应力变化图
惯性矩：
式中：n-钢筋与混凝土的弹性模量比值ES/EC，对C20～C30，n=10；对 C40～C50，n=8。
当 x≤h′f时，T型梁应按宽度b′f，即令 h′f=b，高度为h的矩形截面计算。
当 x＞h′f时，T型梁应考虑梁肋的受压部分，按T型梁截面计算。
加固构件为矩形截面梁时，以上各式按b′f=b计算
原截面受压区边缘混凝土应力：
式中：M1—第一阶段恒载产生的弯矩。
原受拉钢筋重心处或最外层钢筋应力：
计算最外层钢筋应力时，将h0换成最外层钢筋重心至混凝土受压边缘的距离。
2.3.2 第二阶段应力计算
粘钢加固后活荷载及后加恒载产生的截面弯矩对混凝土及钢筋产生的应力计算
粘贴钢板Asn与原受拉钢筋As的总截面积：
加固后截面有效高度：h0=h+h1-
加固后截面受压区高度：
惯性矩：
这里假设新增混凝土的强度等级与旧混凝土相同，但一般新增混凝土强度会高于旧混凝土，须将新增混凝土换算成旧混凝土相同的材料。
按下列各式计算材料应力时，截面受压区边缘新混凝土应力：
截面受压边旧混凝土边缘应力：
式中：M2—钢板或钢筋粘贴胶固化并达到强度后，计算截面所承受的弯矩，一般为活载和后加恒载。
原受拉钢筋重心处或最外层钢筋应力：
新增钢板或钢筋的应力：
式中：hsn—粘贴钢板距加固后受压边缘的距离；
h1—受压区增大截面混凝土新浇层厚度；
hs—受拉区钢筋距加固后受压边缘的距离。
2.3.3 验算混凝土及钢筋的最终应力
截面受压区旧混凝土边缘应力：
式中：[σw]—旧混凝土弯曲受压容许应力，约等于其抗压强度设计值fcd。
截面受压区（新增混凝土桥面板后）边缘最大应力：
受拉边旧钢筋重心处或最外层钢筋最大应力：
式中：σs—旧钢筋容许抗拉应力，考虑到受拉主筋一般采用HRB335，其容许拉应力约等于其抗拉强度设计值fsd的0.66倍。R235钢筋其值为0.69倍。
受拉边新增钢板后换算成钢筋重心处应力：
式中：[σsw]—新增钢板或钢筋弯曲容许拉应力。
贴钢筋时按上述σs取值；贴Q235或Q345钢板时，约等于R235或HRB335钢筋抗拉强度设计值fcd的0.75倍。
受压区的钢筋一般不到容许压应力，可不验算。受拉区混凝土容许开裂，也不作验算。
2.3.4 持久状况承载能力极限状态受弯构件正截面抗弯承载力计算
翼缘位于受压区的粘钢加固受弯构件，其正截面抗弯承载力计算按下列计算
当符合下列条件时：
当不符合上式条件时，应考虑截面腹板受压作用，正截面抗弯承载力按下列计算：
受压区高度x按式（24）计算：
式中 x、a′s均要满足前文的基本要求。
3 工程案例
实际工程中，在构件的受拉区补浇混凝土层即增大截面加固的情况较多，T形梁，原配筋率较低，其混凝土受压区高度较小，因此在受拉区粘贴钢板，从而提高梁的抗弯承载力。而往往增大拉区承载力的同时，原桥面铺装混凝土厚度不够较容易破坏，下面以基本的钢筋混凝土构件为例，给出拉区粘贴钢板和压区增大截面联合加固的实例。
3.1 桥梁概况
钢筋混凝土4跨20 m T形简支梁,主梁间距1.6 m，共5片梁，桥宽净7 m+2×1 m，计算跨径19.5 m。该桥超重车多，横向联系破坏较重，横隔板严重开裂，上下贯通，桥面翼缘板连接处的绞缝全桥贯通并渗水，荷载横向分布较弱。
3.2 加固方案
加固措施见图2，受拉区选择粘贴厚度t=8 mm、宽160 mm的钢板，桥面现浇混凝土增大厚度80 mm。
图2 加固方案示意图（单位：mm）
3.3 加固效果
本桥通过拉区T梁马蹄粘贴钢板、翼缘板增大截面联合加固的办法加固后，抗裂、抗弯、极限承载力等性能都有很大提高，并且结合了两种办法的优点，加固效果很明显。
4 结语
粘贴钢板和增大截面联合加固具有两种加固方式优点的结合，在钢筋混凝土构件的加固中较为常用，在全预应力构件加固中使用还不广泛，还具有广阔的前景。此联合理论还没有粘贴钢板量与增大截面量一一对应的计算方法，是理论发展的下一步。联合加固的应用将对我国的旧桥加固理论有实际意义。
[1]张劲泉,王文涛.桥梁检测与加固手册[M].北京:人民交通出版社,2007.
[2]贺拴海.桥梁结构理论[M].北京:人民交通出版社,2003.
[3]叶见曙.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2004.
[4]单成林.旧桥加固设计原理及计算实例[M].北京:人民交通出版社,2007.
